Estudio y caracterización del origen y la naturaleza de las inestabilidades generadas en procesos de combustión de mezclas hidrógeno/metano

Abstract

El estudio de la estabilidad de los procesos de combustión es de capital importancia para garantizar su seguridad y control, ya que una combustión con excesivas inestabilidades en su frente de llama puede modificar su actuación y provocar explosiones no deseadas. En el presente Trabajo de Fin de Máster se realiza un análisis del origen y la naturaleza de las inestabilidades intrínsecas a procesos de combustión de mezclas con diferentes porcentajes de hidrógeno o metano. Dichos experimentos, con geometría esférica del frente de llama, han sido ejecutados en una bomba de combustión a volumen constante (BCVC), la cual permite la filmación del proceso mediante fotografía Schlieren. Para la realización de este estudio, se plantea primeramente una revisión bibliográfica de los conceptos y parámetros usados en las investigaciones actuales sobre inestabilidades en llamas esféricas, así como su explicación física y las relaciones existentes entre ellos. Además, se plantea una metodología que busca determinar la influencia de la proporción de los combustibles en el origen y el desarrollo de las inestabilidades en el frente de llama. Asimismo, se estudia por separado el comportamiento de los efectos hidrodinámico y termo difusivo, propios de un proceso de combustión, y sus contribuciones a la tasa de crecimiento de las inestabilidades del frente de llama, lo que permite determinar la naturaleza de la combustión. Por último, en la metodología se realiza un estudio cualitativo del fenómeno de celularidad (cuando las inestabilidades se desarrollan completamente en todo el frente de llama) y se buscan parámetros que influyan en la aparición de este fenómeno

The stability study in combustion processes has a great importance to assure their security and control, since a combustion with an excessive development of instabilities could modify its morphology and its performance and, therefore, provoke unwanted explosions. In the present work an analysis of the origin and nature of intrinsic instabilities in combustion processes with different hydrogen or methane mixtures is developed. These spherical flame front experiments have been executed in a constant volume combustion bomb (CVCB), which allows recording the process through Schlieren photography method. To carry out this mentioned study, a bibliographic review of the concepts and parameters used in spherical flame front instabilities research is first proposed, as well as a physical explanation of each concept and the relations among them. Additionally, a methodology that aims to determine the influence of the fuel mixtures in the origin and development of the flame front instabilities is suggested. Moreover, the intrinsic effects of the combustion process, such as the thermal-diffusive and the hydrodynamic effect, are separately studied, including their individual contributions to the growth rate of instabilities which allows to determine combustion nature. Finally, this methodology includes a qualitative study of the cellularity phenomenon (when the instabilities develop all over the flame front) and parameters with influence in this phenomenon are searched